G1(Garbage First)垃圾回收实战

GC过程

G1(Garbage First)是JVM中的一种垃圾回收器,设计用于处理具有大堆内存的应用程序,减少GC停顿时间,并提供更可预测的垃圾回收性能。G1的垃圾回收过程主要分为以下几个阶段:

1. 年轻代垃圾回收(Young GC)

这个阶段主要回收新生代的对象,回收发生在 Eden 区和 Survivor 区之间。

  • Eden 区满时触发:当 Eden 区的对象分配满时,触发 Young GC,将 Eden 区中存活的对象移至 Survivor 区或直接移至老年代。
  • 复制算法:Young GC 采用的是一种复制算法,将存活的对象从 Eden 和 Survivor 区中复制到新的 Survivor 区,或直接晋升到老年代。Young GC 是一个短暂停顿的过程。

2. 并发标记(Concurrent Marking)

这是老年代垃圾回收的第一个阶段,用于标记堆中的存活对象,检测哪些对象不再被引用,可以被回收。

  • 初始标记:这个阶段标记所有直接与 GC Root 相关的对象,伴随一个较短的停顿。
  • 并发标记:在应用程序运行时并发执行,递归地标记堆中所有可达的对象。这个过程不会停止应用线程。
  • 重新标记:在并发标记阶段结束后,重新标记那些由于应用线程运行而发生变化的引用,这会导致短暂的停顿。

3. 最终清理(Cleanup Phase)

最终清理阶段负责整理堆空间,并确定哪部分的内存需要进行压缩(回收空闲内存块)。

  • 清理空闲区域:标记阶段后,G1 识别出哪些区域是完全空闲的,并回收这些内存。
  • 整理部分区域:在需要时,G1 会选择部分老年代区域进行压缩,将存活的对象移动到新的内存块中,以释放连续的空闲空间。

4. 混合回收(Mixed GC)

混合回收是 G1 的一个特殊阶段,它不仅回收新生代,还会回收一部分老年代区域。

  • 触发条件:当老年代的使用率超过一定阈值时(默认 45%),混合 GC 被触发。
  • 年轻代和老年代混合回收:混合回收在每次 Young GC 的基础上,附加回收一部分老年代区域,目标是逐步减少老年代中存活对象的数量,从而避免老年代空间耗尽导致 Full GC。

5. 完全垃圾回收(Full GC)

这是 G1 回收器的最后一种回收模式,通常是应对内存压力过大时触发的。

  • Stop-the-world 停顿:Full GC 会完全暂停应用线程,并进行整个堆的垃圾回收,采用传统的单线程或多线程的标记-整理算法,效率较低,但能够回收整个堆中的所有垃圾对象。

阶段总结:

  • 年轻代回收(Young GC):只回收新生代,暂停时间短。
  • 并发标记:标记老年代中的存活对象,尽量避免停顿。
  • 混合回收(Mixed GC):回收新生代和部分老年代对象,减少 Full GC 触发的频率。
  • 完全垃圾回收(Full GC):应急阶段,全堆回收,停顿时间长。

通过这些阶段的配合,G1 能够平衡应用的吞吐量和暂停时间,适合大堆内存、低延迟要求的应用场景。

Young GC log

解析 G1 垃圾回收日志可以帮助我们更好地理解 G1 的各个阶段在实际应用中的执行情况。以下是一个典型的 G1 GC 日志片段,以及相关阶段的说明:

日志案例

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[2024-10-10T14:15:23.123+0000][info ][gc,start       ] GC(0) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause)  (to-space exhausted)
[2024-10-10T14:15:23.124+0000][info ][gc,task        ] GC(0) Using 8 workers of 8 for evacuation
[2024-10-10T14:15:23.156+0000][info ][gc,phases      ] GC(0)   Pre Evacuate Collection Set: 0.0ms
[2024-10-10T14:15:23.157+0000][info ][gc,phases      ] GC(0)   Evacuate Collection Set: 32.5ms
[2024-10-10T14:15:23.157+0000][info ][gc,phases      ] GC(0)   Post Evacuate Collection Set: 0.7ms
[2024-10-10T14:15:23.157+0000][info ][gc,phases      ] GC(0)   Other: 0.4ms
[2024-10-10T14:15:23.157+0000][info ][gc,heap        ] GC(0) Eden regions: 12->0(10)
[2024-10-10T14:15:23.157+0000][info ][gc,heap        ] GC(0) Survivor regions: 0->2(2)
[2024-10-10T14:15:23.157+0000][info ][gc,heap        ] GC(0) Old regions: 0->0
[2024-10-10T14:15:23.157+0000][info ][gc,metaspace   ] GC(0) Metaspace: 14M->14M(105M)
[2024-10-10T14:15:23.157+0000][info ][gc             ] GC(0) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 35.2ms

日志解析及相关阶段介绍

1. Young GC (Pause Young GC)

在日志中,我们看到以下内容:

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GC(0) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause)

这表示 G1 垃圾回收器在执行一次 Young GC(年轻代垃圾回收)。Evacuation Pause 说明该 GC 事件是为了清理新生代的 Eden 区并将存活对象复制到 Survivor 区或老年代。

  • GC(0):这是本次 GC 的标识符,表示是 JVM 启动后第 0 次垃圾回收。
  • Pause Young (Normal):说明这是一次年轻代回收(Young GC),且回收过程发生了短暂停顿(STW)。
  • Evacuation Pause:G1 在 Young GC 中的对象会被从 Eden 区"撤离"(Evacuation),移动到 Survivor 区或老年代。
2. GC 任务执行
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GC(0) Using 8 workers of 8 for evacuation

这说明了 G1 回收器使用了 8 个并行 GC 线程来执行对象的复制任务(Evacuation)。并行线程的使用有助于提高垃圾回收的效率,减少停顿时间。

3. GC 阶段耗时
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GC(0)   Pre Evacuate Collection Set: 0.0ms
GC(0)   Evacuate Collection Set: 32.5ms
GC(0)   Post Evacuate Collection Set: 0.7ms
GC(0)   Other: 0.4ms

这些是 G1 不同阶段的耗时:

  • Pre Evacuate Collection Set:在开始实际清理之前的准备工作耗时,通常非常短,这里为 0.0ms。
  • Evacuate Collection Set:这个阶段是主要的对象移动阶段,将存活对象从 Eden 区和 Survivor 区复制到 Survivor 区或老年代,耗时 32.5ms。
  • Post Evacuate Collection Set:完成撤离之后的后续处理耗时,这里为 0.7ms。
  • Other:其他非核心操作耗时,通常与堆信息更新、统计等有关。
4. 堆状态变化
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GC(0) Eden regions: 12->0(10)
GC(0) Survivor regions: 0->2(2)
GC(0) Old regions: 0->0

这些日志显示了 GC 前后各个内存区域的变化:

  • Eden regions: 12->0(10):GC 之前 Eden 区有 12 个 Region,GC 之后被清空(0),并且当前 Eden 区容量调整为 10 个 Region。
  • Survivor regions: 0->2(2):GC 之后,Survivor 区从 0 个 Region 增加到 2 个,容量为 2 个 Region。
  • Old regions: 0->0:本次 GC 未涉及老年代的对象,因此老年代保持不变。
5. Metaspace 状态
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GC(0) Metaspace: 14M->14M(105M)

这里显示了 Metaspace(存放类元数据的区域)在 GC 期间的大小变化。可以看到,Metaspace 在此次 GC 过程中并没有变化,仍然占用 14MB,容量上限为 105MB。

6. GC 总耗时
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GC(0) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 35.2ms

本次 GC 事件的总耗时为 35.2 毫秒,属于一次较快的年轻代回收。由于这是一次 Young GC,停顿时间较短(通常几十毫秒)。

分析总结

  • 这次垃圾回收是一次 年轻代垃圾回收(Young GC),主要清理了 Eden 区中的垃圾对象,并将存活的对象移至 Survivor 区或老年代。
  • G1 回收器采用并行处理,通过 8 个 GC 线程加速了对象撤离过程。
  • 本次 GC 的总耗时为 35.2ms,体现了 G1 在进行 Young GC 时较短的停顿时间。
  • 堆内存的变化显示,Eden 区得到了清理,Survivor 区得到了适量的存活对象,而老年代未被涉及。

通过这样的日志分析,可以发现 G1 回收器的回收行为及性能,帮助判断系统在垃圾回收上的表现是否达到预期,并据此优化 JVM 配置。

Mixed GC log

混合回收(Mixed GC)是 G1 垃圾回收器的一个关键特性,它不仅回收新生代(Eden 和 Survivor 区),还会同时回收部分老年代(Old Generation)中的区域。它通常在老年代占用空间超过一定阈值(默认是 45%)时触发,通过增量式回收老年代来避免 Full GC 的发生。

下面是一个典型的 G1 混合回收(Mixed GC)日志案例,以及相关阶段的详细介绍。

日志案例

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[2024-10-10T14:25:35.789+0000][info ][gc,start       ] GC(15) Pause Young (Mixed) (G1 Evacuation Pause)
[2024-10-10T14:25:35.790+0000][info ][gc,task        ] GC(15) Using 8 workers of 8 for evacuation
[2024-10-10T14:25:35.830+0000][info ][gc,phases      ] GC(15)   Pre Evacuate Collection Set: 0.2ms
[2024-10-10T14:25:35.830+0000][info ][gc,phases      ] GC(15)   Evacuate Collection Set: 39.5ms
[2024-10-10T14:25:35.830+0000][info ][gc,phases      ] GC(15)   Post Evacuate Collection Set: 0.5ms
[2024-10-10T14:25:35.830+0000][info ][gc,phases      ] GC(15)   Other: 0.3ms
[2024-10-10T14:25:35.830+0000][info ][gc,heap        ] GC(15) Eden regions: 10->0(12)
[2024-10-10T14:25:35.830+0000][info ][gc,heap        ] GC(15) Survivor regions: 2->2(2)
[2024-10-10T14:25:35.830+0000][info ][gc,heap        ] GC(15) Old regions: 25->20
[2024-10-10T14:25:35.830+0000][info ][gc,metaspace   ] GC(15) Metaspace: 35M->35M(105M)
[2024-10-10T14:25:35.830+0000][info ][gc             ] GC(15) Pause Young (Mixed) (G1 Evacuation Pause) 40.1ms

日志解析及混合回收介绍

1. Mixed GC (Pause Young Mixed GC)
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GC(15) Pause Young (Mixed) (G1 Evacuation Pause)

这段日志显示了一次 混合回收(Mixed GC) 事件,意味着这次回收不仅仅是 Young GC,还回收了部分老年代的内存区域。

  • Pause Young (Mixed):表示这次是 Young GC 和 Mixed GC 的混合,回收 Eden 区、Survivor 区以及部分老年代区域。
  • G1 Evacuation Pause:依旧是一次对象"撤离"(Evacuation),将存活的对象移动到 Survivor 区或老年代中,同时回收部分老年代区域的垃圾对象。
2. GC 任务执行
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GC(15) Using 8 workers of 8 for evacuation

G1 使用了 8 个并行的 GC 线程来执行对象撤离任务,从 Eden 区、Survivor 区以及老年代区域中搬移对象。

3. GC 阶段耗时
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GC(15)   Pre Evacuate Collection Set: 0.2ms
GC(15)   Evacuate Collection Set: 39.5ms
GC(15)   Post Evacuate Collection Set: 0.5ms
GC(15)   Other: 0.3ms

与之前的 Young GC 类似,Mixed GC 也分为几个阶段:

  • Pre Evacuate Collection Set:在准备清理前的一些初步操作,耗时 0.2 毫秒。
  • Evacuate Collection Set:这是真正执行对象撤离的阶段,耗时 39.5 毫秒,主要负责将 Eden 区的存活对象移动到 Survivor 区,将老年代的存活对象整理。
  • Post Evacuate Collection Set:完成对象撤离后的后处理,耗时 0.5 毫秒。
  • Other:一些其他辅助操作,耗时 0.3 毫秒。
4. 堆状态变化
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GC(15) Eden regions: 10->0(12)
GC(15) Survivor regions: 2->2(2)
GC(15) Old regions: 25->20

这部分日志显示了堆内存区域在 GC 前后的变化:

  • Eden regions: 10->0(12):Eden 区在 GC 之前有 10 个区域,GC 之后被清空(0 个 Region),并调整了 Eden 区容量为 12 个 Region。
  • Survivor regions: 2->2(2):Survivor 区保持不变,有 2 个 Region。
  • Old regions: 25->20:老年代区域从 25 个减少到 20 个,表示部分老年代区域的垃圾对象被成功回收。
5. Metaspace 状态
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GC(15) Metaspace: 35M->35M(105M)

Metaspace 没有发生变化,依然保持 35MB 的使用量,容量上限为 105MB。

6. GC 总耗时
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GC(15) Pause Young (Mixed) (G1 Evacuation Pause) 40.1ms

此次混合回收(Mixed GC)总共耗时 40.1 毫秒,较一次普通的 Young GC 来说耗时略长,因为混合回收同时涉及了新生代和老年代的对象处理。

混合回收的触发条件

  • 老年代使用率阈值:当老年代使用量超过一定的阈值(默认是堆内存的 45%)时,G1 会触发并发标记阶段,标记老年代中的存活对象。
  • 并发标记完成后:当并发标记阶段完成后,G1 将在随后的 Young GC 过程中,混合回收部分老年代。这样做的好处是通过逐步清理老年代,延缓甚至避免 Full GC 的发生。

混合回收的意义

  • 减少 Full GC 频率:通过逐步清理老年代,G1 可以有效避免 Full GC 的频繁触发。Full GC 通常会暂停所有应用线程(Stop-the-World),是影响应用性能的一个大因素。
  • 可控的停顿时间:G1 的 Mixed GC 能够通过分批回收老年代内存,保持每次 GC 的停顿时间较短,避免单次 GC 占用过多时间,影响应用响应。
  • 增量回收老年代:通过多个 Mixed GC 回收部分老年代,G1 可以持续维持堆内存的健康状态,而不是等待老年代填满再执行一次耗时的 Full GC。

分析总结

这个混合回收日志显示:

  • Eden 区的对象成功撤离到 Survivor 区或老年代。
  • 老年代中的一些区域得到了回收,减少了 5 个 Region。
  • 总体上,GC 耗时 40.1ms,比普通 Young GC 稍长,但仍属于较短的停顿时间,说明 G1 的混合回收能有效控制暂停时间,避免 Full GC。

通过混合回收,G1 在回收年轻代的同时,逐步整理老年代,从而达到减少 Full GC 的目标。

Full GC log

Full GC 是 JVM 中最耗时、影响性能最大的垃圾回收事件。在 G1 垃圾回收器中,Full GC 发生的频率相对较低,但当内存紧张且老年代无法通过 Mixed GC 及时回收时,仍可能触发 Full GC。G1 的 Full GC 是通过单线程执行的 "Stop-the-World" 事件,会暂停所有应用线程,因此开发者通常尽量避免 Full GC。

接下来,我们结合一个实际 Full GC 的日志案例,逐步分析 Full GC 触发的过程、日志中的关键阶段以及相关信息。

Full GC 日志案例

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[2024-10-10T14:45:55.123+0000][info ][gc,start       ] GC(25) Pause Full (G1 Evacuation Pause)
[2024-10-10T14:45:55.124+0000][info ][gc,phases,start] GC(25) Phase 1: Mark live objects
[2024-10-10T14:45:55.298+0000][info ][gc,phases      ] GC(25) Phase 1: Mark live objects 174.1ms
[2024-10-10T14:45:55.299+0000][info ][gc,phases,start] GC(25) Phase 2: Compute new object addresses
[2024-10-10T14:45:55.402+0000][info ][gc,phases      ] GC(25) Phase 2: Compute new object addresses 103.4ms
[2024-10-10T14:45:55.402+0000][info ][gc,phases,start] GC(25) Phase 3: Adjust pointers
[2024-10-10T14:45:55.523+0000][info ][gc,phases      ] GC(25) Phase 3: Adjust pointers 121.2ms
[2024-10-10T14:45:55.523+0000][info ][gc,phases,start] GC(25) Phase 4: Evacuate Collection Set
[2024-10-10T14:45:55.779+0000][info ][gc,phases      ] GC(25) Phase 4: Evacuate Collection Set 255.9ms
[2024-10-10T14:45:55.780+0000][info ][gc,heap        ] GC(25) Eden regions: 10->0(12)
[2024-10-10T14:45:55.780+0000][info ][gc,heap        ] GC(25) Survivor regions: 2->2(2)
[2024-10-10T14:45:55.780+0000][info ][gc,heap        ] GC(25) Old regions: 55->20
[2024-10-10T14:45:55.780+0000][info ][gc,metaspace   ] GC(25) Metaspace: 45M->44M(100M)
[2024-10-10T14:45:55.780+0000][info ][gc             ] GC(25) Pause Full (G1 Evacuation Pause) 657.4ms

日志解析及 Full GC 介绍

1. Full GC 事件开始
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GC(25) Pause Full (G1 Evacuation Pause)

这次事件是一次 Full GC,表示整个堆(包括 Eden 区、Survivor 区和老年代)都被回收。

  • Pause Full:所有应用线程都被暂停,即"Stop-the-World"。
  • G1 Evacuation Pause:和年轻代和混合回收类似,Full GC 也执行了对象撤离(Evacuation),但这次是整个堆的对象处理。
2. Phase 1: Mark live objects
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GC(25) Phase 1: Mark live objects 174.1ms

第一阶段是 标记存活对象。G1 会遍历整个堆(包括年轻代和老年代),标记所有存活的对象。这个过程耗时 174.1 毫秒。对于 Full GC,这个阶段是单线程的,会导致长时间的停顿。

3. Phase 2: Compute new object addresses
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GC(25) Phase 2: Compute new object addresses 103.4ms

第二阶段是 计算新对象的地址。由于 G1 是区域化管理堆内存的,标记完成后,需要计算存活对象的新地址,确保对象被压缩到更紧凑的内存区域中。这个过程耗时 103.4 毫秒。

4. Phase 3: Adjust pointers
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GC(25) Phase 3: Adjust pointers 121.2ms

第三阶段是 调整对象指针。随着对象被搬移到新的内存地址,所有指向这些对象的引用需要更新为新的地址。这个阶段耗时 121.2 毫秒。

5. Phase 4: Evacuate Collection Set
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GC(25) Phase 4: Evacuate Collection Set 255.9ms

第四阶段是 对象撤离,即将存活的对象从 Eden 区、Survivor 区和老年代搬移到新的内存区域,并回收旧的内存区域。这个过程耗时 255.9 毫秒。

6. 堆内存状态变化
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GC(25) Eden regions: 10->0(12)
GC(25) Survivor regions: 2->2(2)
GC(25) Old regions: 55->20

这部分日志描述了 Full GC 前后堆内存各区域的变化:

  • Eden regions: 10->0(12):Eden 区的 10 个 Region 被清空,并且恢复为 12 个可用的区域。
  • Survivor regions: 2->2(2):Survivor 区没有变化。
  • Old regions: 55->20:老年代的 Region 数量从 55 个减少到 20 个,意味着老年代的垃圾对象得到了显著回收。
7. Metaspace 状态
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GC(25) Metaspace: 45M->44M(100M)

Metaspace 是 JVM 用来存储类元数据的内存区域。在 Full GC 中,Metaspace 也可能被回收。在这次 Full GC 中,Metaspace 的使用量从 45MB 减少到 44MB。

8. Full GC 总耗时
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GC(25) Pause Full (G1 Evacuation Pause) 657.4ms

整个 Full GC 的总耗时为 657.4 毫秒,这是一次相对较长的垃圾回收停顿。相比 Young GC 或 Mixed GC,Full GC 的耗时通常要长很多,因为它涉及到整个堆的回收,并且是单线程执行的。

Full GC 触发的原因

Full GC 通常在以下情况下触发:

  1. 老年代无法回收:当老年代的内存占用达到较高水平,Mixed GC 不能及时清理足够的老年代区域时,G1 会触发 Full GC。
  2. 晋升失败:当从 Eden 区撤离的存活对象无法晋升到老年代,因为老年代空间不足时,会触发 Full GC。
  3. 元数据空间不足:当 Metaspace 空间不足时,也可能触发 Full GC。
  4. 系统资源压力:当 JVM 内存使用压力较大且回收效率低时,系统可能强制执行 Full GC 以释放内存。

Full GC 的影响

  • 长时间的停顿:Full GC 会暂停所有应用线程,导致应用长时间停止响应,这对高性能、低延迟的应用非常不利。
  • 单线程处理:相比于并行的 Young GC 或 Mixed GC,Full GC 是单线程处理的,因此速度较慢。
  • 最后的手段:Full GC 是垃圾回收器的最后手段,通常意味着内存管理已经到了非常紧张的状态,混合回收无法有效解决问题。

如何避免 Full GC

  1. 调整老年代阈值:可以通过调节 G1 的老年代启动 Mixed GC 的阈值,让老年代尽早参与混合回收,避免老年代过度膨胀。
  2. 增大堆内存:适当增大堆内存,使得老年代和新生代有更多的空间,避免频繁触发 Full GC。
  3. 优化应用内存使用:减少短生命周期的大对象创建,优化内存占用,减少垃圾产生。
  4. 监控和调优:使用监控工具如 Prometheus 或 JMX 监控垃圾回收情况,及时发现问题,进行调优。

通过以上方式,可以降低 Full GC 的频率,提升 JVM 性能。

Stop-The-World

"Stop-the-World" (STW) 事件指的是在垃圾回收过程中,所有应用线程都被暂停的阶段。在 G1 垃圾回收器中,Stop-the-World 事件的几个关键阶段与不同类型的 GC 有关。对于典型的 G1 GC,Stop-the-World 主要出现在 初始标记最终标记 以及 清除 阶段。

让我们逐步分析:

1. 初始标记(Initial Mark)

  • STW:是的,初始标记阶段是一个 Stop-the-World 事件。
  • 作用:标记根对象(GC Roots)以及其直接可达的对象。GC Roots 包括线程栈、全局静态变量等。
  • 时间较短:这个阶段的工作量较少,仅仅是标记直接可达的对象,通常时间较短。
plain 复制代码
[GC pause (G1 Evacuation Pause) (initial-mark) ...]

2. 并发标记(Concurrent Marking)

  • 非 STW:并发标记阶段不会暂停应用线程,垃圾收集线程和应用线程是并发运行的。
  • 作用:遍历堆中的所有存活对象,标记从 GC Roots 可达的所有对象。
  • 可能触发最终标记:并发标记过程中,如果标记过程中发现某些内存区域是空的或全是垃圾,可能会提前触发混合回收。
plain 复制代码
[GC concurrent-mark-start ...]
[GC concurrent-mark-end ...]

3. 最终标记(Final Remark/Remark)

  • STW:最终标记阶段是一个 Stop-the-World 事件。
  • 作用:由于并发标记过程中应用线程仍在运行,可能有新的对象被分配或对象引用被修改,因此需要一个短暂停顿来捕获这些变化,确保标记准确。
  • 时间较短:通常比并发标记快得多,因为只需要处理自并发标记开始后的增量变化。
plain 复制代码
[GC pause (G1 Evacuation Pause) (remark) ...]

4. 清理阶段(Cleanup/Cleanup Phase)

  • 部分 STW:清理阶段分为两部分:初期会有短暂的 Stop-the-World 暂停,标记出垃圾区域,并释放这些内存。后续阶段,回收是并发完成的。
  • 作用:回收空闲的堆内存区域,并将其重新加入可用的堆内存区域列表。
plain 复制代码
[GC cleanup-start ...]
[GC cleanup-end ...]

总结

在 G1 垃圾回收的几个阶段中,Stop-the-World 事件主要发生在以下几个阶段:

  1. 初始标记(Initial Mark)阶段 ------ 短暂的 STW,用于标记 GC Roots。
  2. 最终标记(Final Remark)阶段 ------ 短暂的 STW,用于标记并发标记期间未处理的对象变化。
  3. 部分清理阶段(Cleanup Phase)------ 有一个短暂的 STW,用于处理空闲区域的标记。

并发标记是非 STW 的,应用线程与垃圾回收线程并发工作,大大减少了对应用的影响。

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